Físico do CERN explica como equipe usa respingos subatômicos para reiniciar experimentos após atualizações anuais

Quando você aperta “start” no seu micro-ondas ou computador, o dispositivo liga imediatamente — mas grandes experimentos de física como o Large Hadron Collider na Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, conhecida como CERN, não funcionam dessa forma. Em vez disso, engenheiros e físicos precisam tirar algumas semanas todo ano para reiniciar cuidadosamente o colisor e todos os experimentos nele.

Sou um físico do CERN que trabalhou com meus colegas nos últimos meses no processo de reinicialização do maior dos experimentos, o ATLAS. Para coletar dados precisos sobre colisões de partículas e estudar alguns dos mistérios mais atraentes do universo, a colaboração precisa garantir que o equipamento esteja calibrado corretamente.

No CERN, o Grande Colisor de Hádrons, ou LHC, colide prótons na mais alta energia já alcançada para criar novas partículas, que os físicos então capturam e estudam com vários experimentos.

O LHC explora o mundo oculto das partículas subatômicas, os blocos de construção fundamentais de tudo ao nosso redor. Estudar essas partículas ajuda cientistas como eu a entender melhor como o universo funciona e evolui ao longo do tempo.

Hibernando e despertando o LHC

A cada inverno, o colisor e seus experimentos hibernam. Minha equipe e outras equipes do CERN os pressionam a tirar essa soneca de inverno por alguns motivos.

As máquinas que usamos aqui são complexas. Precisamos de algum tempo para substituir peças ou instalar novos componentes. E, dado que todas essas máquinas usam muita energia, evitamos operá-las no inverno, quando a eletricidade custa mais e quando a vizinha Genebra precisa manter seus moradores aquecidos.

Mas quando chega a primavera, todas as equipes preparam o LHC e os experimentos para uma nova temporada de coleta de dados.

Enquanto engenheiros e técnicos trabalham para reiniciar o acelerador e prepará-lo para colidir prótons, meus colegas e eu, os físicos experimentais, preparamos os experimentos para coletar dados de todas as partículas produzidas pelo colisor de forma rápida e correta.

Testando com raios cósmicos

As equipes dos experimentos começam a primeira fase de despertar o LHC da hibernação enquanto o acelerador ainda está dormindo. Precisamos começar a testar os detectores de partículas mesmo enquanto o colisor que cria as partículas não está funcionando.

Nesta primeira fase, usamos o que está sempre disponível, fornecido pela própria natureza — raios cósmicos. São partículas subatômicas criadas quando partículas energéticas do espaço atingem átomos no alto da atmosfera.

Um raio cósmico entra no detector ATLAS no LHC à esquerda. Cada vez que atinge um sensor, o raio perde parte de sua energia, que o detector converte em um sinal e registra. Ao traçar uma linha através de todos os sensores que a partícula cósmica encontrou, os físicos podem reconstruir sua direção de chegada, seu caminho através do experimento e sua energia. Os raios cósmicos nos ajudam a treinar os sensores e verificar se tudo funciona conforme o esperado.

No entanto, raios cósmicos são aleatórios e esparsos, então não podemos confiar neles para todos os nossos testes. Para testes subsequentes, usamos uma fonte mais densa e previsível — respingos subatômicos.

Salpicos subatômicos para sincronizá-los todos

O LHC tem cerca de 17 milhas (27 quilômetros) de tubos pelos quais os prótons voam. O tubo tem ímãs ao redor que direcionam os prótons que ele acelera. Quaisquer partículas que se desviem do caminho são paradas por um pequeno pedaço de metal chamado colimador. Este colimador é empurrado para baixo no centro do tubo do acelerador, onde os prótons colidem com ele e interagem com seus átomos.

Essa colisão cria uma enorme quantidade de partículas, que então se movem em uníssono ao longo do tubo do acelerador como um grande respingo — ou, como os chamamos, um “respingo de feixe”. Por volta de meados de março, a equipe do acelerador cria isso para o experimento ATLAS.

A grande onda de partículas atinge o experimento de uma só vez, e essa onda nos permite verificar se todos os detectores no experimento reagem corretamente e em sincronia. Ela também testa se eles podem registrar e armazenar dados na velocidade necessária.

Muons horizontais para calibrá-los

A maioria dos detectores de partículas nos experimentos agora estão prontos para obter novos dados. No entanto, alguns tipos de detectores no LHC exigem testes adicionais.

Um deles é o calorímetro Tile do experimento ATLAS, um detector que mede a energia de partículas como nêutrons e prótons. Ele é feito de fileiras de sensores em forma de ladrilho, e as partículas de teste têm que passar por esses ladrilhos horizontalmente para calibrar o detector com precisão.

Os jatos massivos de partículas criados por respingos de feixe não são bons para calibrar o calorímetro Tile. As partículas não estão vindo no ângulo certo, e há muitas de uma vez.

Para testar o calorímetro Tile, estamos interessados ​​apenas em um tipo específico de partículas — múons. Os múons são semelhantes aos elétrons, mas mais pesados, e interagem de forma diferente com o mundo ao redor. Eles podem passar por várias fileiras de sensores sem perder muita energia ou serem parados — o que os torna úteis para testar detectores de partículas.

Então, no final de março, fizemos outro teste, usando os colimadores mais uma vez.

Desta vez, no entanto, os engenheiros do LHC empurram o colimador apenas ligeiramente no caminho dos prótons, então as partículas mal arranham o colimador. O atrito suave dos prótons contra a superfície metálica do colimador cria partículas que se movem paralelamente ao tubo do acelerador e atingem o experimento ATLAS horizontalmente.

Usamos sensores dedicados para revelar múons criados pela colisão com o colimador e sinalizá-los. Então, nós os rastreamos conforme eles se movem pelo calorímetro Tile.

Esses múons horizontais passam por todos os blocos do calorímetro em sequência, para que possamos ter certeza de que ele está coletando dados com precisão.

Pronto para uma nova física

Quando o LHC está calibrado e pronto para funcionar, ele acelera os prótons até sua energia máxima e então os empurra para colidir uns com os outros.

Após cerca de 10 semanas de testes, uma nova temporada de coleta de dados começa, trazendo sonhos de novas descobertas.

Este artigo foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.